JP7611531B2 - Determination device and switch system equipped with same - Google Patents
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Description
本開示は、半導体スイッチに用いられる判定装置及びそれを備えるスイッチシステムに関する。より詳細には、半導体スイッチに用いられる過電流検知用の判定装置、及び、それを備えるスイッチシステムに関する。The present disclosure relates to a determination device used in a semiconductor switch and a switch system including the same. More specifically, the present disclosure relates to a determination device for detecting an overcurrent used in a semiconductor switch and a switch system including the same.
特許文献1には、電力用半導体素子の保護回路が開示されている。特許文献1に開示された電力用半導体素子の保護回路は、電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、並列に接続された第1の抵抗とインダクタとを含む電流検出部と、電力用半導体素子の短絡状態を検出する検出部と、を備える。第1の抵抗の一端及びインダクタの一端は、電力用半導体素子の一方の端子と接続される。検出部は、第1の抵抗及びインダクタに流れる電流に応じて変化する電力用半導体素子の一方の端子の電圧と短絡検出電圧とを比較することによって、電力用半導体素子の短絡状態を検出する。駆動回路の基準電位が、第1の抵抗の他端及びインダクタの他端と接続される。
半導体スイッチに用いられる過電流検知用の判定装置では、半導体スイッチの主電流が流れる経路での電力損失の低減が望まれる場合がある。 In a determination device for detecting overcurrent used in a semiconductor switch, it may be desirable to reduce power loss in the path through which the main current of the semiconductor switch flows.
本開示の目的は、電力損失を抑制することが可能な半導体スイッチの過電流検知用の判定装置及びそれを備えるスイッチシステムを提供することにある。 The object of the present disclosure is to provide a determination device for detecting overcurrent in a semiconductor switch capable of suppressing power loss, and a switch system equipped with the same.
本開示に係る一態様の判定装置は、半導体スイッチに用いられる。半導体スイッチは、ゲート及びゲートに対応するソースを有する接合型電界効果トランジスタを含む。判定装置は、抵抗と、判定回路と、を備える。抵抗は、第1端及び第2端を有する。抵抗の第1端がゲートに接続される。判定回路は、接合型電界効果トランジスタのゲート-ソース間電圧について、抵抗の第2端と前記ソースとの間に与えられるゲート駆動電圧よりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、半導体スイッチに過電流が流れていると判定する。 A determination device according to one aspect of the present disclosure is used in a semiconductor switch. The semiconductor switch includes a junction field effect transistor having a gate and a source corresponding to the gate. The determination device includes a resistor and a determination circuit. The resistor has a first end and a second end. The first end of the resistor is connected to the gate. The determination circuit determines that an overcurrent is flowing in the semiconductor switch when a predetermined change occurs in the gate-source voltage of the junction field effect transistor within a range smaller than the gate drive voltage applied between the second end of the resistor and the source.
本開示に係る別の一態様のスイッチシステムは、判定装置と、半導体スイッチと、を備える。Another aspect of the switch system according to the present disclosure includes a determination device and a semiconductor switch.
本開示の判定装置、及びスイッチシステムは、電力損失を抑制することが可能となる。The determination device and switch system disclosed herein make it possible to reduce power loss.
(第一の実施形態)
図1は、第一の実施形態に係る判定装置2を備えるスイッチシステム8の回路図である。以下では、第一の実施形態に係る判定装置2及びそれを備えるスイッチシステム8について、図1及び図2に基づいて説明する。
First Embodiment
Fig. 1 is a circuit diagram of a
(1)概要
判定装置2は、半導体スイッチ1に用いられる。
(1) Overview The
半導体スイッチ1は、ゲート10G及びゲート10Gに対応するソース10Sを有する接合型電界効果トランジスタ10を含む。接合型電界効果トランジスタ10は、ゲート10Gに対応するドレイン10Dを有する。判定装置2は、半導体スイッチ1の一対の主端子の間に過電流が流れているか否かの判定に利用される。The
判定装置2は、抵抗Rgと、判定回路3と、を備える。抵抗Rgは、第1端及び第2端を有する。抵抗Rgの第1端がゲート10Gに接続される。判定回路3は、接合型電界効果トランジスタ10のゲート-ソース間電圧Vgsについて、抵抗Rgの第2端とソース10Sとの間に与えられるゲート駆動電圧Voよりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、半導体スイッチ1に過電流が流れていると判定する。The
スイッチシステム8は、判定装置2と、半導体スイッチ1と、を備える。また、スイッチシステム8は、直流電源5と、駆動回路6と、を更に備える。駆動回路6は、ゲート駆動電圧Voを、抵抗Rgを介して接合型電界効果トランジスタ10に供給する。また、判定装置2は、制御回路4を更に備える。制御回路4は、判定回路3の判定結果に基づいて半導体スイッチ1を制御する。ここにおいて、制御回路4は、判定回路3の判定結果に基づいて駆動回路6を制御することによって、半導体スイッチ1を制御する。The
(2)スイッチシステムの各構成要素
(2.1)半導体スイッチ
半導体スイッチ1は、接合型電界効果トランジスタ10(以下、JFET10ともいう)を含む。JFET10は、例えば、GaN系GIT(Gate Injection Transistor)である。JFET10は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)を含まない。
(2) Components of the Switch System (2.1) Semiconductor Switch The
JFET10は、例えば、基板と、バッファ層と、第1の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層と、ソース電極と、ゲート電極と、ドレイン電極と、p型層と、を備える。バッファ層は、基板上に形成されている。第1の窒化物半導体層は、バッファ層上に形成されている。第2の窒化物半導体層は、第1の窒化物半導体層上に形成されている。ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極は、第2の窒化物半導体層上に形成されている。p型層は、ゲート電極と第2の窒化物半導体層との間に介在している。JFET10では、第2の窒化物半導体層とp型層とでダイオードDgu(図2参照)を構成する。JFET10におけるゲート10Gは、ゲート電極と、p型層と、を含む。JFET10におけるソース10Sは、ソース電極を含む。JFET10におけるドレイン10Dは、ドレイン電極を含む。基板は、例えば、シリコン基板である。バッファ層は、例えば、アンドープのGaN層である。第1の窒化物半導体層は、例えば、アンドープのGaN層である。第2の窒化物半導体層は、例えば、アンドープのAlGaN層である。p型層は、例えば、p型AlGaN層である。バッファ層、第1の窒化物半導体層及び第2の窒化物半導体層の各々には、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)等による成長時に不可避的に混入されるMg、H、Si、C、O等の不純物が存在してもよい。
The
(2.2)駆動回路
駆動回路6は、JFET10のゲート10Gに接続される。実施形態1に係るスイッチシステム8では、駆動回路6は、抵抗Rgを介してJFET10のゲート10Gに接続される。
(2.2) Drive Circuit The
駆動回路6は、JFET10のゲート10Gにゲート電圧を与える回路である。駆動回路6は、直流電源5から供給される直流電圧に応じたゲート駆動電圧Voを出力する。The
駆動回路6は、電源端子と、グランド端子と、を有する。駆動回路6のグランド端子は、JFET10のソース10Sに接続される。The
駆動回路6の電源端子とグランド端子との間には、高電位側の出力端と低電位側の出力端とを有する直流電源5が接続される。駆動回路6の電源端子には、直流電源5の高電位側の出力端が接続される。駆動回路6のグランド端子には、直流電源5の低電位側の出力端が接続される。直流電源5の出力電圧は、例えば、12Vである。直流電源5は、絶縁電源である。なお、直流電源5は、駆動回路6の構成要素ではない。
A
駆動回路6は、例えば、ドライバIC(Integrated Circuit)を含む。ドライバICは、例えば、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)インバータであり、pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETとの逆直列回路を含む。この逆直列回路は、直流電源5の高電位側の出力端と低電位側の出力端との間に接続されている。この逆直列回路では、pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETのドレイン同士が接続されており、pチャネルMOSFETのソースが直流電源5の高電位側の出力端に接続され、nチャネルMOSFETのソースが直流電源5の低電位側の出力端に接続されている。The
(2.3)判定装置
判定装置2は、抵抗Rgと、判定回路3と、を備える。抵抗Rgは、半導体スイッチ1の定常オン状態において半導体スイッチ1のゲート10Gとソース10Sとの間に印加されるゲート-ソース間電圧Vgsを決めるための素子である。Rgの抵抗値は、例えば、800Ωである。判定装置2では、抵抗Rgの第1端がJFET10のゲート10Gに接続される。また、判定装置2では、抵抗Rgの第2端が駆動回路6に接続される。要するに、判定装置2は、駆動回路6とJFET10のゲート10Gとの間に接続される抵抗Rgを備える。判定回路3は、JFET10のゲート-ソース間電圧Vgsについて、抵抗Rgの第2端とソース10Sとの間に与えられるゲート駆動電圧Voよりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、半導体スイッチ1に過電流が流れていると判定する。
(2.3) Determination Device The
ゲート-ソース間電圧Vgsについての所定の変化は、例えば、閾値で判定される変化を含む。この場合、判定回路3は、例えば、ゲート駆動電圧Voよりも小さな参照電圧Vrefを閾値として用いて、ゲート-ソース間電圧Vgsが参照電圧Vrefよりも大きくなったとき(Vref<Vgs<Voの条件を満たしたとき)に、半導体スイッチ1に過電流が流れていると判定する。ここにおいて、過電流は、半導体スイッチ1の一対の主端子(ドレイン10D、ソース10S)間に流れる主電流I1の定格電流を超える大きさの電流であり、例えば、短絡電流である。判定回路3は、例えば、ゲート-ソース間電圧Vgsと参照電圧Vrefとを比較するコンパレータを含む。The predetermined change in the gate-source voltage Vgs includes, for example, a change determined by a threshold value. In this case, the
ゲート-ソース間電圧Vgsについての所定の変化は、閾値で判定される変化に限らず、ゲート-ソース間電圧Vgsの変化量で判定される変化を含んでもよい。また、変化量は、ゲート-ソース間電圧Vgsの変化率(dVgs/dt)であってもよい。The predetermined change in the gate-source voltage Vgs is not limited to a change determined by a threshold value, but may include a change determined by the amount of change in the gate-source voltage Vgs. The amount of change may also be the rate of change (dVgs/dt) of the gate-source voltage Vgs.
制御回路4は、判定回路3の判定結果に基づいて駆動回路6を制御する。制御回路4(制御部)の実行主体は、コンピュータシステムを含んでいる。コンピュータシステムは、1又は複数のコンピュータを有している。コンピュータシステムは、ハードウェアとしてのプロセッサ及びメモリを主構成とする。コンピュータシステムのメモリに記録されたプログラムをプロセッサが実行することによって、本開示における制御回路4(制御部)の実行主体としての機能が実現される。プログラムは、コンピュータシステムのメモリに予め記録されていてもよいが、電気通信回線を通じて提供されてもよいし、コンピュータシステムで読み取り可能なメモリカード、光学ディスク、ハードディスクドライブ(磁気ディスク)等の非一時的記録媒体に記録されて提供されてもよい。コンピュータシステムのプロセッサは、半導体集積回路(IC)又は大規模集積回路(LSI)を含む1又は複数の電子回路で構成される。複数の電子回路は、1つのチップに集約されていてもよいし、複数のチップに分散して設けられていてもよい。複数のチップは、1つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に分散して設けられていてもよい。The
(3)動作
スイッチシステム8の一動作例について、図2、図3A~図3Cを参照して説明する。図2、図3A~図3Cは、判定装置2を備えるスイッチシステム8の動作説明図である。
(3) Operation An operation example of the
図2では、JFET10の模式的な等価回路上で、ダイオードDguに印加されている電圧Vguと、JFET10のゲート-ドレイン間のチャネル抵抗Rchgdと、JFET10のゲート-ソース間のチャネル抵抗Rchgsと、チャネル抵抗Rchgsでの電圧降下Vchgsと、ゲート-ソース間の主電流I1と、を表記してある。Figure 2 shows, on a schematic equivalent circuit of
図3Aは、半導体スイッチ1がオン状態で、半導体スイッチ1に過電流が流れていない正常時の動作説明図である。図3Bは、半導体スイッチ1に過電流が流れたときの動作説明図である。図3Cは、半導体スイッチ1がオフ状態で、半導体スイッチに過電流が流れていない正常時の動作説明図である。
Figure 3A is an explanatory diagram of normal operation when
スイッチシステム8は、半導体スイッチ1のドレイン10Dとソース10Sとの間に負荷回路を接続して使用される。スイッチシステム8では、JFET10のゲート10Gにゲート-ソース間電圧VgsがJFET10の閾値電圧(例えば、3.2V)よりも高い所定電圧(4V)で印加された状態(つまり、Vgs=4Vの状態)において、JFET10のゲート10Gには、図3Aに示すように、充電電流Ichaが所定電流値(例えば、10mA)で流れている。スイッチシステム8では、例えば、直流電源5の出力電圧Vcが12Vであり、ゲート駆動電圧Voが12Vであり、JFET10の閾値電圧が3.2Vであり、所定電圧が4Vであり、抵抗Rgの抵抗値が1kΩであり、所定電流値が10mAであり、参照電圧Vrefが4.5Vであるが、これらの値に限定されない。The
JFET10のドレイン-ソース間に流れる主電流I1が過電流になると、チャネル抵抗Rchgsでの電圧降下Vchgsが増加する。その結果、JFET10では、ダイオードDguに印加されている電圧Vguが低下する。電圧Vguが低下すると、ダイオードDguを流れる順方向電流が低下するので、図3Bに示すように、充電電流Ichaが1mAに低下する。充電電流Ichaの低下分をΔIchaとすると、JFETのゲート-ソース間電圧Vgsは、正常時の値(4V)から、(抵抗Rgの抵抗値)×ΔIchaだけ増加した値(5V)となる。よって、判定回路3では、ゲート-ソース間電圧Vgsが参照電圧Vref(=4.5V)よりも大きくなったときに過電流が流れていると判定することができる。判定装置2では、判定回路3によって過電流が流れていると判定された場合、制御回路4が駆動回路6を停止させてゲート駆動電圧Voを0Vにすることで、半導体スイッチ1を制御する。When the main current I1 flowing between the drain and source of the
スイッチシステム8では、直流電源5の出力電圧Vcが0Vの場合、図3Cに示すように、半導体スイッチ1が正常のオフ状態であれば、ゲート駆動電圧Vo=0Vとなり、ゲート-ソース間電圧Vgs=0Vとなる。In the
(4)利点
第一の実施形態に係る判定装置2及びスイッチシステム8では、判定回路3が、接合型電界効果トランジスタ10のゲート-ソース間電圧Vgsについて、ゲート駆動電圧Voよりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、半導体スイッチ1に過電流が流れていると判定する。よって、実施形態1に係る判定装置2及びスイッチシステム8では、電力損失を抑制することが可能となる。ここにおいて、実施形態1に係る判定装置2及びスイッチシステム8では、接合型電界効果トランジスタ10のソース10Sに過電流検知用のシャント抵抗を接続することなく過電流を検知することができ、電力損失を抑制することができる。
(4) Advantages In the
また、第一の実施形態に係る判定装置2は、制御回路4を備えることにより、半導体スイッチ1に過電流が流れたときに半導体スイッチ1を制御することができる。
In addition, the
(第二の実施形態)
以下、第二の実施形態に係る判定装置2a及びそれを備えるスイッチシステム8aについて、図4に基づいて説明する。図4は、第二の実施形態に係る判定装置2aを備えるスイッチシステム8aの回路図である。第二の実施形態に係るスイッチシステム8aは、第一の実施形態に係るスイッチシステム8の半導体スイッチ1及び判定装置2の代わりに半導体スイッチ1a及び判定装置2aを備えている。第二の実施形態に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aに関し、第一の実施形態に係る判定装置2及びスイッチシステム8と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
Second Embodiment
A
半導体スイッチ1aは、接合型電界効果トランジスタ10(JFET10ともいう)を2つ備える双方向スイッチである。半導体スイッチ1aでは、2つのJFET10のドレイン10D同士が接続されている。2つの接合型電界効果トランジスタ10は、第1接合型電界効果トランジスタ11と、第2接合型電界効果トランジスタ12と、を含む。以下では、第1接合型電界効果トランジスタ11を、第1JFET11ともいう。また、第2接合型電界効果トランジスタ12を、第2JFETともいう。The
以下では、第1JFET11の有するゲート10G、ソース10S及びドレイン10Dを、それぞれ、第1ゲート11G、第1ソース11S及び第1ドレイン11Dともいう。また、第2JFET12の有するゲート10G、ソース10S及びドレイン10Dを、それぞれ、第2ゲート12G、第2ソース12S及び第2ドレイン12Dともいう。また、第1JFET11のゲート-ソース間電圧Vgsを第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1ともいう。また、第2JFET12のゲート-ソース間電圧Vgsを第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2ともいう。半導体スイッチ1aでは、第1JFET11の第1ソース11Sと第2JFET12の第2ソース12Sとが一対の主端子を構成している。スイッチシステム8aは、第1ソース11Sと第2ソース12Sとの間に負荷回路を接続して使用される。
In the following, the
判定装置2aは、抵抗Rgを2つ備え、かつ、判定回路3を2つ備える。2つの抵抗Rgは、第1JFET11に対応する第1抵抗Rg1と、第2JFET12に対応する第2抵抗Rg2と、を含む。第2抵抗Rg2の抵抗値は、第1抵抗Rg1の抵抗値と同じであってもよいし、異なってもよい。The
スイッチシステム8aは、駆動回路6を2つ備え、直流電源5を2つ備える。2つの駆動回路6は、第1駆動回路61と、第2駆動回路62と、を含む。2つの直流電源5は、第1直流電源51と、第2直流電源52と、を含む。The
第1駆動回路61は、第1抵抗Rg1を介して第1JFET11の第1ゲート11Gに接続されている。また、第1駆動回路61は、第1直流電源51の出力電圧(以下、第1出力電圧)が供給される。第1出力電圧は、例えば、12Vである。第1直流電源51の高電位側の出力端は、第1駆動回路61の電源端子に接続されている。第1直流電源51の低電位側の出力端は、第1JFET11の第1ソース11Sに接続されている。The
第2駆動回路62は、第2抵抗Rg2を介して第2JFET12の第2ゲート12Gに接続されている。また、第2駆動回路62は、第2直流電源52の出力電圧(以下、第2出力電圧)が供給される。第2出力電圧は、例えば、12Vである。第2直流電源52の高電位側の出力端は、第2駆動回路62の電源端子に接続されている。第2直流電源52の低電位側の出力端は、第2JFET12の第2ソース12Sに接続されている。The
以下では、第1駆動回路61から出力されるゲート駆動電圧Voを第1ゲート駆動電圧Vo1ともいい、第2駆動回路62から出力されるゲート駆動電圧Voを第2ゲート駆動電圧Vo2ともいう。In the following, the gate drive voltage Vo output from the
2つの判定回路3は、第1JFET11に対応する第1判定回路31と、第2JFET12に対応する第2判定回路32と、を含む。
The two
スイッチシステム8aでは、半導体スイッチ1aがオン状態の場合、第1JFET11の第1ゲート11Gに第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が第1JFET11の第1閾値電圧(例えば、3.2V)よりも高い第1所定電圧(例えば、4V)で印加されており、第1JFET11の第1ゲート11Gには、第1充電電流Icha1が所定電流値で流れている。また、第2JFET12の第2ゲート12Gに第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が第2JFET12の第2閾値電圧(例えば、3.2V)よりも高い第2所定電圧(例えば、4V)で印加されており、第2JFET12の第2ゲート12Gには、第2充電電流Icha2が所定電流値で流れている。In the
スイッチシステム8aは、例えば、主電流I1が第2ソース12Sから第1ソース11Sに向かって流れている状態で主電流I1が過電流になると、第2ゲート12GのダイオードDgu(図2参照)での電圧降下Vguが増加する。これにより、第2充電電流Icha2が増加し、第2ソース12S-第2ゲート12G間の電圧が低下する。その結果、第2JFET12の第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が低下する。
For example, when the main current I1 flows from the
第1JFET11では、主電流I1が第2ソース12Sから第1ソース11Sに向かって流れている状態で主電流I1が過電流になると、第1JFET11の第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が増加する。In the
また、スイッチシステム8aは、例えば、主電流I1が第1ソース11Sから第2ソース12Sに向かって流れている状態で主電流I1が過電流になると、第1ゲート11GのダイオードDgu(図2参照)での電圧降下Vguが増加する。これにより、第1充電電流Icha1が増加し、第1ソース11S-第1ゲート11G間の電圧が低下する。その結果、第1JFET11の第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が低下する。
In addition, in the
一方、第2JFET12では、主電流I1が第1ソース11Sから第2ソース12Sに向かって流れている状態で主電流I1が過電流になると、第2JFET12の第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が増加する。
On the other hand, in the
図5Aは、判定回路2aにおける第1判定回路31の回路図である。第1判定回路31は、例えば、図5Aに示すように、コンパレータCp1を含む。第1判定回路31では、コンパレータCp1において、第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1と第1閾値(参照電圧Vref1+ΔV1)とを比較する。ΔV1は、一定電圧である。(Vref1+ΔV1)<Vo1である。第1判定回路31では、コンパレータCp1の非反転入力端子に第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が入力され、コンパレータCp1の反転入力端子に第1閾値(参照電圧Vref1+ΔV1)が入力される。ΔV1は、一定電圧に限らず、0Vでもよい。
Figure 5A is a circuit diagram of the
図5Bは、判定回路2aにおける第2判定回路32の回路図である。第2判定回路32は、例えば、図5Bに示すように、コンパレータCp2を含む。第2判定回路32では、コンパレータCp2において、第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2と第2閾値(参照電圧Vref2+ΔV2)とを比較する。第2判定回路32では、コンパレータCp2の非反転入力端子に第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が入力され、コンパレータCp2の反転入力端子に第2閾値(参照電圧Vref2+ΔV2)が入力される。ΔV2は、一定電圧に限らず、0Vでもよい。
Figure 5B is a circuit diagram of the
第二の実施形態に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aでは、判定回路3が、接合型電界効果トランジスタ10のゲート-ソース間電圧Vgsについて、ゲート駆動電圧Voよりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、半導体スイッチ1に過電流が流れていると判定する。よって、実施形態2に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aでは、電力損失を抑制することが可能となる。In the
図6Aは、判定装置2aにおける第1判定回路31の他の構成例を示す回路図である。第1判定回路31は、例えば、図6Aに示すように、コンパレータCp1の非反転入力端子に第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が入力され、コンパレータCp1の反転入力端子に第1JFET11の定常時(正常時)の第1ゲート電圧Vg1が入力されてもよい。ここにおいて、定常時の第1ゲート電圧Vg1は、例えば、第1JFET11がオンしているときのゲート電圧(ゲート-ソース間電圧Vgs)の移動平均値である。
Figure 6A is a circuit diagram showing another example of the configuration of the
図6Bは、判定装置2aにおける第2判定回路32の他の構成例を示す回路図である。第2判定回路32は、例えば、図6Bに示すように、コンパレータCp2の非反転入力端子に第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が入力され、コンパレータCp2の反転入力端子に第2JFET12の定常時(正常時)の第2ゲート電圧Vg2が入力されてもよい。定常時の第2ゲート電圧Vg2は、例えば、第2JFET11がオンしているときのゲート電圧(ゲート-ソース間電圧Vgs)の移動平均値である。
Figure 6B is a circuit diagram showing another example configuration of the
(第三の実施形態)
図7は、第三の実施形態に係る判定装置2bを備えるスイッチシステム8bの動作説明図である。以下、第三の実施形態に係る判定装置2b及びそれを備えるスイッチシステム8bについて、図7に基づいて説明する。第三の実施形態に係るスイッチシステム8bは、第二の実施形態に係るスイッチシステム8aの判定装置2aの代わりに判定装置2bを備えている。第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bに関し、第二の実施形態に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aと同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
Third Embodiment
Fig. 7 is an explanatory diagram of the operation of a
判定装置2bは、第1判定回路31の判定結果と第2判定回路32の判定結果とに基づいて半導体スイッチ1aの異常の有無を判定する第3判定回路33を備える。判定装置2bは、第3判定回路33の判定結果に基づいて半導体スイッチ1aを制御する制御回路4bを更に備える。The
第3判定回路33は、下記の表1のように、第1コンパレータCp1の出力信号のレベルと第2コンパレータCp2の出力信号のレベルとが異なる場合に異常ありと判定し、第1コンパレータCp1の出力信号のレベルと第2コンパレータCp2の出力信号のレベルとが同じ場合に異常なしと判定する。The
スイッチシステム8bでは、第1判定回路31において、第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が増加した場合に、出力信号の論理値を1とし、第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が減少した場合に、出力信号の論理値を-1とするように構成されていてもよい。また、第2判定回路32において、第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が増加した場合に、出力信号の論理値を1とし、第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が減少した場合に、出力信号の論理値を-1とするように構成されていてもよい。したがって、第3判定回路33は、下記の表2のように、第1判定回路31の判定結果の論理値と第2判定回路32の判定結果の論理値とが異なる場合に異常ありと判定し、第1判定回路31の判定結果の論理値と第2判定回路32の判定結果の論理値とが同じ場合に異常なしと判定するように構成されていてもよい。In the
制御回路4bは、第3判定回路33の判定結果に基づいて第1JFET11及び第2JFET12を制御する。制御回路4bは、第3判定回路33での判定結果が異常ありの場合、第1JFET11及び第2JFET12を制御する。より詳細には、制御回路4bは、第3判定回路33での判定結果が異常ありの場合、第1駆動回路61を制御して第1ゲート駆動電圧Vo1を0Vにし、かつ、第2駆動回路62を制御して第2ゲート駆動電圧Vo2を0Vにする。The
第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bは、第二の実施形態に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aと同様、電力損失を抑制することが可能となる。
The
第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bでは、制御回路4bを備えるので、半導体スイッチ1aに過電流が流れたときに過電流を速やかに遮断することが可能となる。The
第3判定回路33は、下記の表3のように、第1コンパレータCp1の出力信号のレベルと第2コンパレータCp2の出力信号のレベルとが異なる場合に過電流の向きを判定し、第1コンパレータCp1の出力信号のレベルと第2コンパレータCp2の出力信号のレベルとが同じ場合に異常なしと判定するように構成されていてもよい。The
図8は、判定装置2bを備えるスイッチシステム8bの動作説明図である。第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bでは、図7に示すように半導体スイッチ1aの主電流I1が第2ソース12Sから第1ソース11Sに向かって流れている場合、図8に示すように、第2JFET12がダイオードモードで動作している。この状態において、制御回路4bは、第1JFET11の第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が第1基準電圧(Vref1又はVref1+ΔV1)よりも増加し、かつ、第2JFET12の第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が第2基準電圧(Vref2、又はVref2+ΔV2)よりも低下した場合、第1JFET11と第2JFET12とのうち第1JFET11を先にオフさせる。
Figure 8 is an explanatory diagram of the operation of the
一方、半導体スイッチ1aの主電流I1が第1ソース11Sから第2ソース12Sに向かって流れている場合、第1JFET11がダイオードモードで動作している。この状態において、制御回路4bは、第1JFET11の第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が第1基準電圧よりも低下し、かつ、第2JFET12の第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が第2基準電圧よりも増加した場合に、第1JFET11と第2JFET12とのうち第2JFET12を先にオフさせる。On the other hand, when the main current I1 of the
第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bでは、制御回路4bが第1JFET11をオフさせるタイミングと第2JFET12をオフさせるタイミングとを上述のように異ならせることにより、半導体スイッチ1aをオフするときの半導体スイッチ1aでの発熱を抑制することが可能となる。In the
(第四の実施形態)
図9は、第四の実施形態に係る判定装置2cを備えるスイッチシステム8cの回路図である。以下、第四の実施形態に係る判定装置2c及びそれを備えるスイッチシステム8cについて、図9に基づいて説明する。第四の実施形態に係るスイッチシステム8cは、第三の実施形態に係るスイッチシステム8bの半導体スイッチ1a及び判定装置2bの代わりに半導体スイッチ1b及び判定装置2cを備えている。第四の実施形態に係る判定装置2c及びスイッチシステム8cに関し、第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bと同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Fig. 9 is a circuit diagram of a
半導体スイッチ1bは、ゲート10G及びソース10Sの各々を2つ有するデュアルゲート型の接合型電界効果トランジスタ10b(以下、JFET10bともいう)であり、双方向スイッチとして用いることができる。2つのゲート10Gと2つのソース10Sとは一対一に対応する。以下では、説明の便宜上、2つのゲート10Gの一方を第1ゲート11Gと称し、他方を第2ゲート12Gと称することもある。また、2つのソース10Sのうち第1ゲート11Gに対応するソース10Sを第1ソース11Sと称し、第2ゲート12Gに対応するソース10Sを第2ソース12Sと称することもある。The
以下、半導体スイッチ1bについて簡単に説明してから、判定装置2c及びスイッチシステム8cについて説明する。
Below, we will briefly explain the
JFET10bは、GaN系GITの一種である。JFET10bは、例えば、基板と、バッファ層と、第1の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層と、第1ソース電極と、第1ゲート電極と、第2ゲート電極と、第2ソース電極と、第1p型層と、第2p型層と、を備える。バッファ層は、基板上に形成されている。第1の窒化物半導体層は、バッファ層上に形成されている。第2の窒化物半導体層は、第1の窒化物半導体層上に形成されている。第1ソース電極、第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第2ソース電極は、第2の窒化物半導体層上に形成されている。第1p型層は、第1ゲート電極と第2の窒化物半導体層との間に介在している。第2p型層は、第2ゲート電極と第2の窒化物半導体層との間に介在している。JFET10bでは、第1ソース11Sは、第1ソース電極を含む。第1ゲート11Gは、第1ゲート電極と、第1p型層と、を含む。第2ゲート12Gは、第2ゲート電極と、第2p型層と、を含む。第2ソース12Sは、第2ソース電極を含む。基板は、例えば、シリコン基板である。バッファ層は、例えば、アンドープのGaN層である。第1の窒化物半導体層は、例えば、アンドープのGaN層である。第2の窒化物半導体層は、例えば、アンドープのAlGaN層である。第1p型層及び第2p型層の各々は、例えば、p型AlGaN層である。バッファ層、第1の窒化物半導体層及び第2の窒化物半導体層の各々には、MOVPE等による成長時に不可避的に混入されるMg、H、Si、C、O等の不純物が存在してもよい。
The
JFET10bでは、第2の窒化物半導体層は、第1の窒化物半導体層とともにヘテロ接合部を構成する。第1の窒化物半導体層においては、ヘテロ接合部の近傍に、2次元電子ガス(Two-Dimensional Electron Gas)が発生している。2次元電子ガスを含む領域(以下、「2次元電子ガス層」ともいう)は、nチャネル層(電子伝導層)として機能することが可能である。In
以下では、説明の便宜上、第1ゲート11Gと第1ソース11Sとの間に第1閾値電圧(例えば、1.3V)以上の電圧が印加されていない状態を、第1ゲート11Gがオフ状態ともいう。また、第1ゲート11Gと第1ソース11Sとの間に第1ゲート11Gを高電位側として第1閾値電圧以上の電圧が印加されている状態を、第1ゲート11Gがオン状態ともいう。また、第2ゲート12Gと第2ソース12Sとの間に第2閾値電圧(例えば、1.3V)以上の電圧が印加されていない状態を、第2ゲート12Gがオフ状態ともいう。また、第2ゲート12Gと第2ソース12Sとの間に第2ゲート12Gを高電位側として第2閾値電圧以上の電圧が印加されている状態を、第2ゲート12Gがオン状態ともいう。
In the following, for convenience of explanation, the state in which a voltage equal to or greater than the first threshold voltage (e.g., 1.3 V) is not applied between the
JFET10bは、上述の第1p型層及び第2p型層を備えることにより、ノーマリオフ型のJFETを実現している。
JFET10bは、第1ゲート11G及び第2ゲート12Gそれぞれに与えられる第1ゲート電圧及び第2ゲート電圧の組み合わせに応じて、双方向オン状態と、双方向オフ状態と、第1のダイオード状態と、第2のダイオード状態と、を切替可能である。第1ゲート電圧は、第1ゲート11Gと第1ソース11Sとの間に印加される電圧(第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1)である。第2ゲート電圧は、第2ゲート12Gと第2ソース12Sとの間に印加される電圧(第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2)である。双方向オン状態は、双方向(第1方向及び第1方向とは反対の第2方向)の電流を通過させる状態である。双方向オフ状態は、双方向の電流を阻止する状態である。第1のダイオード状態は、第1方向の電流を通過させる状態である。第2のダイオード状態は、第2方向の電流を通過させる状態である。
JFET10bでは、第1ゲート11Gがオン状態で、かつ第2ゲート12Gがオン状態である場合に双方向オン状態となる。JFET10bでは、第1ゲート11Gがオフ状態で、かつ第2ゲート12Gがオフ状態である場合に双方向オフ状態となる。JFET10bでは、第1ゲート11Gがオフ状態で、かつ第2ゲート12Gがオン状態である場合に第1のダイオード状態となる。JFET10bでは、第1ゲート11Gがオン状態で、かつ第2ゲート12Gがオフ状態である場合に第2のダイオード状態となる。In
次に、判定装置2c及びスイッチシステム8cについて説明する。
Next, we will explain the determination device 2c and
判定装置2cは、第三の実施形態に係る判定装置2bと同様、抵抗Rgを2つ備え、かつ、判定回路3を2つ備える。2つの抵抗Rgは、第1ゲート11Gに接続する第1抵抗Rg1と、第2ゲート12Gに接続する第2抵抗Rg2と、を含む。2つの判定回路3は、第1ゲート11G及び第1ソース11Sに対応する第1判定回路31と、第2ゲート12G及び第2ソース12Sに対応する第2判定回路32と、を含む。判定装置2cは、第3判定回路33を更に備える。第3判定回路33は、第1判定回路31の判定結果と第2判定回路32の判定結果とに基づいて半導体スイッチ1bの異常の有無を判定する。The judgment device 2c, like the
判定装置2c及びスイッチシステム8cの動作は、第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bの動作と同様である。The operation of the determination device 2c and the
図10及び図11は、判定装置2cを備えるスイッチシステム8cの動作説明図である。スイッチシステム8cの一動作例について、図10及び図11を参照して説明する。10 and 11 are explanatory diagrams of the operation of a
図10では、JFET10bの模式的な等価回路上で、電圧Vgu1、電圧Vgu2、チャネル抵抗Rchgs1、チャネル抵抗Rchgs2、内部抵抗Rchggおよび主電流I1を標記してある。電圧Vgu1は、第1ゲート11Gのダイオードに印加されている電圧である。電圧Vgu2は、第2ゲート12Gのダイオードに印加されている電圧である。チャネル抵抗Rchgs1は、JFET10bの第1ゲート-第1ソース間のチャネル抵抗である。チャネル抵抗Rchgs2は、JFET10bの第2ゲート-第2ソース間のチャネル抵抗である。内部抵抗Rchggは、チャネル抵抗Rchgs1とチャネル抵抗Rchgs2との間の内部抵抗である。主電流I1は、第2ソース12Sから第1ソース11Sに向かって流れる電流である。
In FIG. 10, the voltage Vgu1, voltage Vgu2, channel resistance Rchgs1, channel resistance Rchgs2, internal resistance Rchgg, and main current I1 are labeled on a schematic equivalent circuit of
図11では、第2ソース12Sから第1ソース11Sに向かって流れる主電流I1をIs2s1とし、第1ゲート-第1ソース間電圧をVgs1とし、第2ゲート-第2ソース間電圧をVgs2とし、第1抵抗Rg1を流れる第1充電電流をIcha1とし、第2抵抗Rg2を流れる第2充電電流をIcha2として、これらの時間変化を示している。半導体スイッチ1bがオン状態で、半導体スイッチ1bに過電流が流れていないときは、主電流Is2s1と、第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1と、第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2と、第1充電電流Icha1と、第2充電電流Icha2とのそれぞれは、略一定である。これに対し、第2ソース12Sから第1ソース11Sに向かう主電流Is2s1が増加すると、第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が増加し、第1充電電流Icha1が減少する。また、第2ソース12Sから第1ソース11Sに向かう主電流Is2s1が増加すると、第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が減少し、第2充電電流Icha2が増加する。11 shows the changes over time of the main current I1 flowing from the
第四の実施形態に係る判定装置2c及びスイッチシステム8cは、第三の実施形態に係る判定装置2b及びスイッチシステム8bと同様、電力損失を抑制することが可能となる。
The determination device 2c and
第四の実施形態に係る判定装置2cは、第三の実施形態に係る判定装置2bの備える制御回路4bと同様の制御回路を備えていてもよい。The determination device 2c of the fourth embodiment may be provided with a control circuit similar to the
(第五の実施形態)
図12は、第五の実施形態に係る判定装置2dを備えるスイッチシステム8dの回路図である。以下、第五の実施形態に係る判定装置2d及びそれを備えるスイッチシステム8dについて、図12に基づいて説明する。
Fifth embodiment
12 is a circuit diagram of a
第五の実施形態に係るスイッチシステム8dは、第二の実施形態に係るスイッチシステム8aの半導体スイッチ1a及び判定装置2aの代わりに半導体スイッチ1c及び判定装置2dを備えている。第五の実施形態に係る判定装置2d及びスイッチシステム8dに関し、第二の実施形態に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aと同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。The
半導体スイッチ1aでは、第1JFET11の第1ドレイン11Dと第2JFET12の第2ドレイン12Dとが接続されているのに対し、半導体スイッチ1cでは、第1JFET11の第1ソース11Sと第2JFET12の第2ソース12Sとが接続されている。In the
スイッチシステム8dでは、1つの直流電源5が第1駆動回路61と第2駆動回路62とに共用されており、直流電源5の低電位側の出力端が、第1JFET11の第1ソース11Sと第2JFET12の第2ソース12Sとの間のノードに接続されている。In the
半導体スイッチ1cでは、第1JFET11の第1ドレイン11Dと第2JFET12の第2ドレイン12Dとが一対の主端子を構成している。スイッチシステム8dは、第1ドレイン11Dと第2ドレイン12Dとの間に負荷回路を接続して使用される。In the
図13は、判定装置2dを備えるスイッチシステム8dの動作説明図である。図13では、第2ドレイン12Dから第1ドレイン11Dに向かって流れる主電流をI1とし、第1ゲート-第1ソース間電圧をVgs1とし、第2ゲート-第2ソース間電圧をVgs2とし、第1抵抗Rg1を流れる第1放電電流をIdis1とし、第2抵抗Rg2を流れる第2放電電流をIdis2として、これらの時間変化を示している。半導体スイッチ1cがオン状態で、半導体スイッチ1cに過電流が流れていないときは、主電流I1と、第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1と、第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2と、第1放電電流Idis1と、第2放電電流Idis2とのそれぞれは、略一定である。これに対し、第2ドレイン12Dから第1ドレイン11Dに向かう主電流I1が増加すると、第1ゲート-第1ソース間電圧Vgs1が減少し、第1放電電流Idis1が減少する。また、第2ドレイン12Dから第1ドレイン11Dに向かう主電流I1が増加すると、第2ゲート-第2ソース間電圧Vgs2が増加し、第2放電電流Idis2が増加する。
Figure 13 is an explanatory diagram of the operation of the
第五の実施形態に係る判定装置2d及びスイッチシステム8dは、第二の実施形態に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aと同様、電力損失を抑制することが可能となる。
The
また、第五の実施形態に係る判定装置2dでは、第1駆動回路61の基準電位と第2駆動回路62の基準電位とを同じにできる。図14は、判定装置2aの要部回路図である。図14に示すように、第1参照電圧Vref1と第2参照電圧Vref2とを同じにでき、かつ、ΔV1とΔV2とを同じにできる。これにより、判定装置2dでは、回路構成の簡略化を図れ、判定装置2dの小型化を図れる。
In addition, in the
また、第五の実施形態に係る判定装置2dは、第三の実施形態に係る判定装置2bの備える第3判定回路33と同様の第3判定回路を備えていてもよい。
In addition, the
第3判定回路は、下記の表4のように、第1コンパレータCp1の出力信号のレベルと第2コンパレータCp2の出力信号のレベルとが異なる場合に過電流の向きを判定し、第1コンパレータCp1の出力信号のレベルと第2コンパレータCp2の出力信号のレベルとが同じ場合に異常なしと判定するように構成されていてもよい。The third judgment circuit may be configured to determine the direction of an overcurrent when the level of the output signal of the first comparator Cp1 and the level of the output signal of the second comparator Cp2 are different, and to determine that there is no abnormality when the level of the output signal of the first comparator Cp1 and the level of the output signal of the second comparator Cp2 are the same, as shown in Table 4 below.
(第六の実施形態)
図15は、第六の実施形態に係る判定装置2eを備えるスイッチシステム8eの回路図である。以下、第六の実施形態に係る判定装置2e及びそれを備えるスイッチシステム8eについて、図15に基づいて説明する。
(Sixth embodiment)
15 is a circuit diagram of a
第六の実施形態に係る判定装置2e及びスイッチシステム8eは、制御回路4を備える点で、第五の実施形態に係る判定装置2d及びスイッチシステム8dと相違する。第六の実施形態に係る判定装置2e及びスイッチシステム8eに関し、第五の実施形態に係る判定装置2d及びスイッチシステム8dと同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。The
制御回路4は、第3判定回路33の判定結果に基づいて第1JFET11及び第2JFET12を制御する。制御回路4は、第3判定回路33での判定結果が異常ありの場合、第1JFET11及び第2JFET12を制御する。より詳細には、制御回路4は、第3判定回路33での判定結果が異常ありの場合、第1駆動回路61を制御して第1ゲート駆動電圧Vo1を0Vにし、かつ、第2駆動回路62を制御して第2ゲート駆動電圧Vo2を0Vにする。The
第六の実施形態に係る判定装置2e及びスイッチシステム8eは、第五の実施形態に係る判定装置2a及びスイッチシステム8aと同様、電力損失を抑制することが可能となる。
The
第六の実施形態に係る判定装置2e及びスイッチシステム8eでは、制御回路4を備えるので、半導体スイッチ1cに過電流が流れたときに過電流を速やかに遮断することが可能となる。
The
上記の第一の実施形態~第六の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上記の第一の実施形態~第六の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。The above first to sixth embodiments are merely examples of the various embodiments of the present disclosure. The above first to sixth embodiments can be modified in various ways depending on the design, etc., as long as the object of the present disclosure can be achieved.
例えば、第一の実施形態に係る判定装置2及びスイッチシステム8に関し、図16に示すように、上述の判定回路3がツェナダイオードZDにより構成され、制御回路4がノーマリオフ型のトランジスタQ1を含んで構成されてもよい。図16の回路では、駆動回路6と抵抗Rgとの間の経路の電位Vcontは、通常はH(High)レベル(例えば、12V)であり、半導体スイッチ1に過電流が流れてゲート-ソース間電圧Vgsが増加した場合にL(Low)レベル(例えば、0V)となり、駆動回路6の動作を停止させる。For example, with respect to the
また、判定回路3において、過電流が流れていると判定するとは、過電流が流れているときと流れていないときとで、判定回路3の出力が異なる場合を含む。
In addition, when the
また、半導体スイッチ1、1a、1cにおけるp型層は、p型AlGaN層に限らず、例えば、p型GaN層であってもよいし、p型金属酸化物半導体層であってもよい。p型金属酸化物半導体層は、例えば、NiO層である。NiO層は、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムの群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ金属を不純物として含んでいてもよい。また、NiO層は、例えば、不純物として添加されたときに一価となる銀、銅等の遷移金属を含んでいてもよい。また、半導体スイッチ1bにおける第1p型層及び第2p型層の各々についても、半導体スイッチ1、1a、1cにおけるp型層と同様である。
In addition, the p-type layer in the semiconductor switches 1, 1a, and 1c is not limited to a p-type AlGaN layer, and may be, for example, a p-type GaN layer or a p-type metal oxide semiconductor layer. The p-type metal oxide semiconductor layer is, for example, a NiO layer. The NiO layer may contain at least one alkali metal selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, rubidium, and cesium as an impurity. The NiO layer may also contain, for example, a transition metal such as silver or copper that becomes monovalent when added as an impurity. In addition, the first p-type layer and the second p-type layer in the
半導体スイッチ1、1a~1cの各々は、バッファ層と第1の窒化物半導体層との間に、1層以上の窒化物半導体層を含んでいてもよい。また、バッファ層は、単層構造に限らず、例えば、超格子構造を有していてもよい。Each of the semiconductor switches 1, 1a to 1c may include one or more nitride semiconductor layers between the buffer layer and the first nitride semiconductor layer. The buffer layer is not limited to a single-layer structure, and may have, for example, a superlattice structure.
また、半導体スイッチ1、1a~1cの各々における基板は、シリコン基板に限らず、例えば、GaN基板、SiC基板、サファイア基板等であってもよい。 In addition, the substrate in each of the semiconductor switches 1, 1a to 1c is not limited to a silicon substrate, but may be, for example, a GaN substrate, a SiC substrate, a sapphire substrate, etc.
半導体スイッチ1~1cは、例えば、遮断器、マルチレベルインバータ、調光器、交流-交流電力変換を行うマトリクスコンバータ等の電気装置に適用できる。 The semiconductor switches 1 to 1c can be applied to electrical devices such as circuit breakers, multilevel inverters, dimmers, and matrix converters that perform AC-AC power conversion.
(態様)
以上説明した実施形態等から本明細書には以下の態様が開示されている。
(Aspects)
From the above-described embodiments, the present specification discloses the following aspects.
第1の態様に係る判定装置(2;2a;2b;2c;2d;2e)は、半導体スイッチ(1)に用いられる。半導体スイッチ(1;1a;1b;1c)は、ゲート(10G)及びゲート(10G)に対応するソース(10S)を有する接合型電界効果トランジスタ(10)を含む。判定装置(2)は、抵抗(Rg)と、判定回路(3)と、を備える。抵抗(Rg)は、第1端及び第2端を有する。抵抗(Rg)の第1端がゲート(10G)に接続される。判定回路(3)は、接合型電界効果トランジスタ(10)のゲート-ソース間電圧(Vgs)について、抵抗(Rg)の第2端とソース(10S)との間に与えられるゲート駆動電圧(Vo)よりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、半導体スイッチ(1;1a;1b;1c)に過電流が流れていると判定する。The determination device (2; 2a; 2b; 2c; 2d; 2e) according to the first aspect is used in a semiconductor switch (1). The semiconductor switch (1; 1a; 1b; 1c) includes a junction field effect transistor (10) having a gate (10G) and a source (10S) corresponding to the gate (10G). The determination device (2) includes a resistor (Rg) and a determination circuit (3). The resistor (Rg) has a first end and a second end. The first end of the resistor (Rg) is connected to the gate (10G). The determination circuit (3) determines that an overcurrent is flowing in the semiconductor switch (1; 1a; 1b; 1c) when a predetermined change occurs in the gate-source voltage (Vgs) of the junction field effect transistor (10) within a range smaller than the gate drive voltage (Vo) applied between the second end of the resistor (Rg) and the source (10S).
第1の態様に係る判定装置(2;2a;2b;2c;2d;2e)は、電力損失を抑制することが可能となる。 The determination device (2; 2a; 2b; 2c; 2d; 2e) relating to the first aspect is capable of suppressing power loss.
第2の態様に係る判定装置(2;2a;2b;2c;2d;2e)では、第1の態様において、所定の変化は、閾値で判定される変化を含む。 In the determination device (2; 2a; 2b; 2c; 2d; 2e) relating to the second aspect, in the first aspect, the specified change includes a change determined by a threshold value.
第2の態様に係る判定装置(2;2a;2b;2c;2d)では、判定回路(3)を、コンパレータを用いて構成することが可能となる。 In the judgment device (2; 2a; 2b; 2c; 2d) relating to the second aspect, the judgment circuit (3) can be configured using a comparator.
第3の態様に係る判定装置(2;2a;2b;2c;2d)では、第1の態様において、所定の変化は、変化量で判定される変化を含む。 In the determination device (2; 2a; 2b; 2c; 2d) relating to the third aspect, in the first aspect, the specified change includes a change determined by the amount of change.
第3の態様に係る判定装置(2;2a;2b;2c;2d)では、過電流の誤検知を抑制することが可能となる。 The determination device (2; 2a; 2b; 2c; 2d) relating to the third aspect makes it possible to suppress erroneous detection of overcurrent.
第4の態様に係る判定装置(2a)は、第1の態様に基づく。半導体スイッチ(1a)は、接合型電界効果トランジスタ(10)を2つ備える双方向スイッチである。2つの接合型電界効果トランジスタ(10)は、第1接合型電界効果トランジスタ(11)と、第2接合型電界効果トランジスタ(12)と、を含む。判定装置(2a)は、抵抗(Rg)を2つ備え、かつ、判定回路(3)を2つ備える。2つの抵抗(Rg)は、第1接合型電界効果トランジスタ(11)に対応する第1抵抗(Rg1)と、第2接合型電界効果トランジスタ(12)に対応する第2抵抗(Rg2)と、を含む。2つの判定回路(3)は、第1接合型電界効果トランジスタ(11)に対応する第1判定回路(31)と、第2接合型電界効果トランジスタ(12)に対応する第2判定回路(32)と、を含む。The determination device (2a) according to the fourth aspect is based on the first aspect. The semiconductor switch (1a) is a bidirectional switch having two junction field effect transistors (10). The two junction field effect transistors (10) include a first junction field effect transistor (11) and a second junction field effect transistor (12). The determination device (2a) has two resistors (Rg) and two determination circuits (3). The two resistors (Rg) include a first resistor (Rg1) corresponding to the first junction field effect transistor (11) and a second resistor (Rg2) corresponding to the second junction field effect transistor (12). The two determination circuits (3) include a first determination circuit (31) corresponding to the first junction field effect transistor (11) and a second determination circuit (32) corresponding to the second junction field effect transistor (12).
第4の態様に係る判定装置(2a)は、双方向スイッチに過電流が流れているか否か判定することが可能となる。The determination device (2a) of the fourth aspect is capable of determining whether or not an overcurrent is flowing through a bidirectional switch.
第5の態様に係る判定装置(2a)では、第4の態様において、第1判定回路(31)は、第1接合型電界効果トランジスタ(11)のゲート-ソース間電圧(Vgs1)と第1閾値(Vref1+ΔV1)とを比較する。第2判定回路(32)は、第2接合型電界効果トランジスタ(12)のゲート-ソース間電圧(Vgs2)と第2閾値(Vref2+ΔV2)とを比較する。In the determination device (2a) according to the fifth aspect, in the fourth aspect, the first determination circuit (31) compares the gate-source voltage (Vgs1) of the first junction field effect transistor (11) with a first threshold value (Vref1+ΔV1). The second determination circuit (32) compares the gate-source voltage (Vgs2) of the second junction field effect transistor (12) with a second threshold value (Vref2+ΔV2).
第5の態様に係る判定装置(2a)では、第1判定回路(31)を、コンパレータ(Cp1)を用いて構成でき、第2判定回路(32)を、コンパレータ(Cp2)を用いて構成できる。In the judgment device (2a) relating to the fifth aspect, the first judgment circuit (31) can be configured using a comparator (Cp1), and the second judgment circuit (32) can be configured using a comparator (Cp2).
第6の態様に係る判定装置(2a)では、第4の態様において、第1判定回路(31)は、第1接合型電界効果トランジスタ(11)のゲート-ソース間電圧(Vgs1)と、第1接合型電界効果トランジスタ(11)がオンしているときのゲート電圧の移動平均値(Vg1)とを比較する。第2判定回路(32)は、第2接合型電界効果トランジスタ(12)のゲート-ソース間電圧(Vgs2)と、第2接合型電界効果トランジスタ(12)がオンしているときのゲート電圧の移動平均値(Vg2)とを比較する。In the determination device (2a) according to the sixth aspect, in the fourth aspect, the first determination circuit (31) compares the gate-source voltage (Vgs1) of the first junction field effect transistor (11) with the moving average value (Vg1) of the gate voltage when the first junction field effect transistor (11) is on. The second determination circuit (32) compares the gate-source voltage (Vgs2) of the second junction field effect transistor (12) with the moving average value (Vg2) of the gate voltage when the second junction field effect transistor (12) is on.
第6の態様に係る判定装置(2a)では、第1判定回路(31)を、コンパレータ(Cp1)を用いて構成でき、第2判定回路(32)を、コンパレータ(Cp2)を用いて構成できる。In the judgment device (2a) relating to the sixth aspect, the first judgment circuit (31) can be configured using a comparator (Cp1), and the second judgment circuit (32) can be configured using a comparator (Cp2).
第7の態様に係る判定装置(2b)は、第4~6の態様のいずれか一つにおいて、第1判定回路(31)の判定結果と第2判定回路(32)の判定結果とに基づいて半導体スイッチ(1a)の異常の有無を判定する第3判定回路(33)を更に備える。The judgment device (2b) of the seventh aspect, in any one of the fourth to sixth aspects, further includes a third judgment circuit (33) that judges whether or not there is an abnormality in the semiconductor switch (1a) based on the judgment result of the first judgment circuit (31) and the judgment result of the second judgment circuit (32).
第7の態様に係る判定装置(2b)では、半導体スイッチ(1a)の異常の有無を判定することができる。The determination device (2b) of the seventh aspect can determine whether or not there is an abnormality in the semiconductor switch (1a).
第8の態様に係る判定装置(2b)では、第7の態様において、第3判定回路(33)は、過電流の流れている向きを判定する。In the judgment device (2b) relating to the eighth aspect, in the seventh aspect, the third judgment circuit (33) judges the direction in which the overcurrent is flowing.
第8の態様に係る判定装置(2b)では、過電流の流れている向きを判定することができる。The determination device (2b) of the eighth aspect can determine the direction in which an overcurrent is flowing.
第9の態様に係る判定装置(2b)では、第8の態様において、判定装置(2b)は、制御回路(4b)を更に備える。制御回路(4b)は、第3判定回路(33)の判定結果に基づいて第1接合型電界効果トランジスタ(11)及び第2接合型電界効果トランジスタ(12)を制御する。制御回路(4b)は、第1接合型電界効果トランジスタ(11)のゲート-ソース間電圧(Vgs1)が第1基準電圧よりも増加し、かつ、第2接合型電界効果トランジスタ(12)のゲート-ソース間電圧(Vgs2)が第2基準電圧よりも低下した場合、第1接合型電界効果トランジスタ(11)と第2接合型電界効果トランジスタ(12)とのうち第1接合型電界効果トランジスタ(11)を先にオフさせる。制御回路4は、第1接合型電界効果トランジスタ(11)のゲート-ソース間電圧(Vgs1)が第1基準電圧よりも低下し、かつ、第2接合型電界効果トランジスタ(12)のゲート-ソース間電圧(Vgs2)が第2基準電圧よりも増加した場合に、第1接合型電界効果トランジスタ(11)と第2接合型電界効果トランジスタ(12)とのうち第2接合型電界効果トランジスタ(12)を先にオフさせる。In the determination device (2b) according to the ninth aspect, in the eighth aspect, the determination device (2b) further includes a control circuit (4b). The control circuit (4b) controls the first junction field effect transistor (11) and the second junction field effect transistor (12) based on the determination result of the third determination circuit (33). When the gate-source voltage (Vgs1) of the first junction field effect transistor (11) increases above the first reference voltage and the gate-source voltage (Vgs2) of the second junction field effect transistor (12) decreases below the second reference voltage, the control circuit (4b) turns off the first junction field effect transistor (11) first among the first junction field effect transistor (11) and the second junction field effect transistor (12). When the gate-source voltage (Vgs1) of the first junction field effect transistor (11) falls below a first reference voltage and the gate-source voltage (Vgs2) of the second junction field effect transistor (12) rises above a second reference voltage, the
第9の態様に係る判定装置(2b)は、半導体スイッチ(1;1a;1c)に過電流が流れて半導体スイッチ(1;1a;1c)をオフさせるときに半導体スイッチ(1;1a;1c)の温度上昇を抑制できる。The determination device (2b) of the ninth aspect can suppress a temperature rise of the semiconductor switch (1; 1a; 1c) when an overcurrent flows through the semiconductor switch (1; 1a; 1c) and turns off the semiconductor switch (1; 1a; 1c).
第10の態様に係る判定装置(2c)では、第1の態様において、半導体スイッチ(1b)は、ゲート(10G)及びソース(10S)の各々を2つ有するデュアルゲート型の接合型電界効果トランジスタである。2つのゲート(10G)は、第1ゲート(11G)と、第2ゲート(12G)と、を含む。2つのソース(10S)は、第1ゲート(11G)に対応する第1ソース(11S)と、第2ゲート(12G)に対応する第2ソース(12S)と、を含む。判定装置(2c)は、抵抗(Rg)を2つ備え、かつ、判定回路(3)を2つ備える。2つの抵抗(Rg)は、第1ゲート(11G)に接続する第1抵抗(Rg1)と、第2ゲート(12G)に接続する第2抵抗(Rg2)と、を含む。2つの判定回路(3)は、第1ゲート(11G)及び第1ソース(11S)に対応する第1判定回路(31)と、第2ゲート(12G)及び第2ソース(12S)に対応する第2判定回路(32)と、を含む。判定装置(2c)は、第3判定回路(33)を更に備える。第3判定回路(33)は、第1判定回路(31)の判定結果と第2判定回路(32)の判定結果とに基づいて半導体スイッチ(1b)の異常の有無を判定する。In the determination device (2c) according to the tenth aspect, in the first aspect, the semiconductor switch (1b) is a dual-gate junction field effect transistor having two gates (10G) and two sources (10S). The two gates (10G) include a first gate (11G) and a second gate (12G). The two sources (10S) include a first source (11S) corresponding to the first gate (11G) and a second source (12S) corresponding to the second gate (12G). The determination device (2c) includes two resistors (Rg) and two determination circuits (3). The two resistors (Rg) include a first resistor (Rg1) connected to the first gate (11G) and a second resistor (Rg2) connected to the second gate (12G). The two determination circuits (3) include a first determination circuit (31) corresponding to the first gate (11G) and the first source (11S) and a second determination circuit (32) corresponding to the second gate (12G) and the second source (12S). The determination device (2c) further includes a third determination circuit (33). The third determination circuit (33) determines the presence or absence of an abnormality in the semiconductor switch (1b) based on the determination results of the first determination circuit (31) and the second determination circuit (32).
第10の態様に係る判定装置(2)では、半導体スイッチ(1b)の異常の有無を判定することができる。The determination device (2) of the tenth aspect can determine whether or not there is an abnormality in the semiconductor switch (1b).
第11の態様に係る判定装置(2e)は、第7の態様に基づく。半導体スイッチ(1c)では、第1接合型電界効果トランジスタ(11)のゲート(10G)及びソース(10S)がそれぞれ第1ゲート(11G)及び第1ソース(11S)である。第2接合型電界効果トランジスタ(12)のゲート(10G)及びソース(10S)がそれぞれ第2ゲート(12G)及び第2ソース(12S)である。第1接合型電界効果トランジスタ(11)の第1ソース(11S)と第2接合型電界効果トランジスタ(12)の第2ソース(12S)とが接続されている。判定装置(2e)は、制御回路(4)を更に備える。制御回路(4)は、第3判定回路(33)の判定結果に基づいて第1接合型電界効果トランジスタ(11)及び第2接合型電界効果トランジスタ(12)を制御する。第3判定回路(33)は、第2ゲート(12G)と第2ソース(12S)との間の電圧が第1基準電圧よりも増加し、かつ、第1ゲート(11G)と第1ソース(11S)との間の電圧が減少した場合に半導体スイッチ(c)が異常であると判定する。The determination device (2e) according to the eleventh aspect is based on the seventh aspect. In the semiconductor switch (1c), the gate (10G) and source (10S) of the first junction field effect transistor (11) are the first gate (11G) and the first source (11S), respectively. The gate (10G) and source (10S) of the second junction field effect transistor (12) are the second gate (12G) and the second source (12S), respectively. The first source (11S) of the first junction field effect transistor (11) and the second source (12S) of the second junction field effect transistor (12) are connected. The determination device (2e) further includes a control circuit (4). The control circuit (4) controls the first junction field effect transistor (11) and the second junction field effect transistor (12) based on the determination result of the third determination circuit (33). The third determination circuit (33) determines that the semiconductor switch (c) is abnormal when the voltage between the second gate (12G) and the second source (12S) increases above a first reference voltage and the voltage between the first gate (11G) and the first source (11S) decreases.
第11の態様に係る判定装置(2e)は、半導体スイッチ(1c)の異常の有無を判定することができる。The determination device (2e) of the 11th aspect can determine whether or not there is an abnormality in the semiconductor switch (1c).
第12の態様に係る判定装置(2)は、第5の態様に基づく。半導体スイッチ(1)では、第1接合型電界効果トランジスタ(11)のゲート(10G)及びソース(10S)がそれぞれ第1ゲート(11G)及び第1ソース(11S)である。第2接合型電界効果トランジスタ(12)のゲート(10G)及びソース(10S)がそれぞれ第2ゲート(12G)及び第2ソース(12S)である。第1接合型電界効果トランジスタ(11)の第1ソース(11S)と第2接合型電界効果トランジスタ(12)の第2ソース(12S)とが接続されている。第1閾値(Vref1+ΔV1)と第2閾値(Vref2+ΔV2)とが同じである。 The determination device (2) according to the twelfth aspect is based on the fifth aspect. In the semiconductor switch (1), the gate (10G) and source (10S) of the first junction field effect transistor (11) are the first gate (11G) and the first source (11S), respectively. The gate (10G) and source (10S) of the second junction field effect transistor (12) are the second gate (12G) and the second source (12S), respectively. The first source (11S) of the first junction field effect transistor (11) and the second source (12S) of the second junction field effect transistor (12) are connected. The first threshold (Vref1+ΔV1) and the second threshold (Vref2+ΔV2) are the same.
第12の態様に係る判定装置(2a)では、回路構成の簡略化及び小型化が可能となる。 The determination device (2a) relating to the 12th aspect enables the circuit configuration to be simplified and miniaturized.
第13の態様に係るスイッチシステム(8;8a;8b;8c;8d;8e)は、第1~12の態様のいずれか一つの判定装置(2;2a;2b;2c;2d;2e)と、半導体スイッチ(1;1a;1b;1c)と、を備える。A switch system (8; 8a; 8b; 8c; 8d; 8e) relating to a thirteenth aspect comprises a determination device (2; 2a; 2b; 2c; 2d; 2e) of any one of the first to twelfth aspects and a semiconductor switch (1; 1a; 1b; 1c).
第13の態様に係るスイッチシステム(8;8a;8b;8c;8d;8e)は、電力損失を抑制することが可能となる。 The switch system (8; 8a; 8b; 8c; 8d; 8e) relating to the thirteenth aspect makes it possible to suppress power loss.
本開示の判定装置、及びそれを備えるスイッチシステムは、電力損失を抑制することが可能となる。そのため、本開示の判定装置、及びそれを備えるスイッチシステムは半導体装置やそれを用いる電子機器の省電力化につながり、産業上有用である。The determination device of the present disclosure and the switch system including the same are capable of suppressing power loss. Therefore, the determination device of the present disclosure and the switch system including the same lead to power saving in semiconductor devices and electronic devices using the same, and are industrially useful.
1、1a、1b、1c 半導体スイッチ
2、2a、2b、2c、2d、2e 判定装置
3 判定回路
31 第1判定回路
32 第2判定回路
33 第3判定回路
4 制御回路
5 直流電源
51 第1直流電源
52 第2直流電源
6 駆動回路
61 第1駆動回路
62 第2駆動回路
8、8a、8b、8c、8d、8e スイッチシステム
10、10b 接合型電界効果トランジスタ
10D ドレイン
10G ゲート
10S ソース
11 第1接合型電界効果トランジスタ
11G 第1ゲート
11S 第1ソース
11D 第1ドレイン
12 第2接合型電界効果トランジスタ
12G 第2ゲート
12S 第2ソース
12D 第2ドレイン
I1、Is2s1 主電流
Icha 充電電流
Icha1 第1充電電流
Icha2 第2充電電流
Vg1 第1ゲート電圧
Vg2 第2ゲート電圧
Vgs ゲート-ソース間電圧
Vgs1 第1ゲート-第1ソース間電圧
Vgs2 第2ゲート-第2ソース間電圧
Vo ゲート駆動電圧
Vo1 ゲート駆動電圧
Vo2 ゲート駆動電圧
1, 1a, 1b,
Claims (5)
第1端及び第2端を有し、前記第1端が前記ゲートに接続される抵抗と、
前記接合型電界効果トランジスタのゲート-ソース間電圧について、前記抵抗の第2端と前記ソースとの間に与えられるゲート駆動電圧よりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、前記半導体スイッチに過電流が流れていると判定する判定回路と、を備え、
前記半導体スイッチは、前記接合型電界効果トランジスタを2つ備える双方向スイッチであり、
前記2つの接合型電界効果トランジスタは、第1接合型電界効果トランジスタと、第2接合型電界効果トランジスタと、を含み、
前記判定装置は、前記抵抗を2つ備え、かつ、前記判定回路を2つ備え、
前記2つの抵抗は、
前記第1接合型電界効果トランジスタに対応する第1抵抗と、
前記第2接合型電界効果トランジスタに対応する第2抵抗と、を含み、
前記2つの判定回路は、
前記第1接合型電界効果トランジスタに対応する第1判定回路と、
前記第2接合型電界効果トランジスタに対応する第2判定回路と、を含み、
前記判定装置は、前記第1判定回路の判定結果と前記第2判定回路の判定結果とに基づいて前記半導体スイッチの異常の有無を判定する第3判定回路を更に備え、
前記第3判定回路は、前記過電流の流れている向きを判定し、
前記判定装置は、
前記第3判定回路の判定結果に基づいて前記第1接合型電界効果トランジスタ及び前記第2接合型電界効果トランジスタを制御する制御回路を更に備え、
前記制御回路は、
前記第1接合型電界効果トランジスタの前記ゲート-前記ソース間電圧が第1基準電圧よりも増加し、かつ、前記第2接合型電界効果トランジスタの前記ゲート-前記ソース間電圧が第2基準電圧よりも低下した場合、前記第1接合型電界効果トランジスタと前記第2接合型電界効果トランジスタとのうち前記第1接合型電界効果トランジスタを先にオフさせ、
前記第1接合型電界効果トランジスタの前記ゲート-前記ソース間電圧が第1基準電圧よりも低下し、かつ、前記第2接合型電界効果トランジスタの前記ゲート-前記ソース間電圧が第2基準電圧よりも増加した場合に、前記第1接合型電界効果トランジスタと前記第2接合型電界効果トランジスタとのうち前記第2接合型電界効果トランジスタを先にオフさせる、
判定装置。 A determination device for use in a semiconductor switch including a junction field effect transistor having a gate and a source corresponding to the gate,
a resistor having a first end and a second end, the first end being connected to the gate;
a determination circuit that determines that an overcurrent is flowing through the semiconductor switch when a predetermined change occurs in a range smaller than a gate drive voltage applied between the second end of the resistor and the source of the junction field effect transistor ;
the semiconductor switch is a bidirectional switch including two of the junction field effect transistors,
the two junction field effect transistors include a first junction field effect transistor and a second junction field effect transistor;
the determination device includes two of the resistors and two of the determination circuits;
The two resistors are:
a first resistor corresponding to the first junction field effect transistor;
a second resistor corresponding to the second junction field effect transistor;
The two determination circuits are
a first determination circuit corresponding to the first junction field effect transistor;
a second determination circuit corresponding to the second junction field effect transistor;
the determination device further includes a third determination circuit that determines whether or not an abnormality exists in the semiconductor switch based on a determination result of the first determination circuit and a determination result of the second determination circuit,
The third determination circuit determines a direction in which the overcurrent flows,
The determination device includes:
a control circuit for controlling the first junction field effect transistor and the second junction field effect transistor based on a determination result of the third determination circuit,
The control circuit includes:
when the gate-source voltage of the first junction field effect transistor increases above a first reference voltage and the gate-source voltage of the second junction field effect transistor decreases below a second reference voltage, the first junction field effect transistor is turned off first out of the first junction field effect transistor and the second junction field effect transistor;
when the gate-source voltage of the first junction field effect transistor falls below a first reference voltage and the gate-source voltage of the second junction field effect transistor increases above a second reference voltage, the second junction field effect transistor out of the first junction field effect transistor and the second junction field effect transistor is turned off first;
Judging device.
第1端及び第2端を有し、前記第1端が前記ゲートに接続される抵抗と、a resistor having a first end and a second end, the first end being connected to the gate;
前記接合型電界効果トランジスタのゲート-ソース間電圧について、前記抵抗の第2端と前記ソースとの間に与えられるゲート駆動電圧よりも小さい範囲で所定の変化があった場合に、前記半導体スイッチに過電流が流れていると判定する判定回路と、を備え、a determination circuit that determines that an overcurrent is flowing through the semiconductor switch when a predetermined change occurs in a range smaller than a gate drive voltage applied between the second end of the resistor and the source of the junction field effect transistor;
前記半導体スイッチは、前記接合型電界効果トランジスタを2つ備える双方向スイッチであり、the semiconductor switch is a bidirectional switch including two of the junction field effect transistors,
前記2つの接合型電界効果トランジスタは、第1接合型電界効果トランジスタと、第2接合型電界効果トランジスタと、を含み、the two junction field effect transistors include a first junction field effect transistor and a second junction field effect transistor;
前記判定装置は、前記抵抗を2つ備え、かつ、前記判定回路を2つ備え、the determination device includes two of the resistors and two of the determination circuits;
前記2つの抵抗は、The two resistors are:
前記第1接合型電界効果トランジスタに対応する第1抵抗と、a first resistor corresponding to the first junction field effect transistor;
前記第2接合型電界効果トランジスタに対応する第2抵抗と、を含み、a second resistor corresponding to the second junction field effect transistor;
前記2つの判定回路は、The two determination circuits are
前記第1接合型電界効果トランジスタに対応する第1判定回路と、a first determination circuit corresponding to the first junction field effect transistor;
前記第2接合型電界効果トランジスタに対応する第2判定回路と、を含み、a second determination circuit corresponding to the second junction field effect transistor;
前記判定装置は、前記第1判定回路の判定結果と前記第2判定回路の判定結果とに基づいて前記半導体スイッチの異常の有無を判定する第3判定回路を更に備え、the determination device further includes a third determination circuit that determines whether or not an abnormality exists in the semiconductor switch based on a determination result of the first determination circuit and a determination result of the second determination circuit,
前記半導体スイッチでは、In the semiconductor switch,
前記第1接合型電界効果トランジスタの前記ゲート及び前記ソースがそれぞれ第1ゲート及び第1ソースであり、the gate and the source of the first junction field effect transistor are a first gate and a first source, respectively;
前記第2接合型電界効果トランジスタの前記ゲート及び前記ソースがそれぞれ第2ゲート及び第2ソースであり、the gate and the source of the second junction field effect transistor are a second gate and a second source, respectively;
前記第1接合型電界効果トランジスタの前記第1ソースと前記第2接合型電界効果トランジスタの前記第2ソースとが接続されており、the first source of the first junction field effect transistor and the second source of the second junction field effect transistor are connected;
前記判定装置は、The determination device includes:
前記第3判定回路の判定結果に基づいて前記第1接合型電界効果トランジスタ及び前記第2接合型電界効果トランジスタを制御する制御回路を更に備え、a control circuit for controlling the first junction field effect transistor and the second junction field effect transistor based on a determination result of the third determination circuit,
前記第3判定回路は、The third determination circuit is
前記第2ゲートと前記第2ソースとの間の電圧が第1基準電圧よりも増加し、かつ、前記第1ゲートと前記第1ソースとの間の電圧が減少した場合に前記半導体スイッチが異常であると判定する、determining that the semiconductor switch is abnormal when the voltage between the second gate and the second source increases above a first reference voltage and the voltage between the first gate and the first source decreases;
判定装置。Judging device.
前記第2判定回路は、前記第2接合型電界効果トランジスタの前記ゲート-ソース間電圧と第2閾値とを比較する、the second determination circuit compares the gate-source voltage of the second junction field effect transistor with a second threshold value;
請求項1又は2に記載の判定装置。The determination device according to claim 1 or 2.
前記第2判定回路は、前記第2接合型電界効果トランジスタの前記ゲート-ソース間電圧と前記第2接合型電界効果トランジスタがオンしているときのゲート電圧の移動平均値とを比較する、the second determination circuit compares the gate-source voltage of the second junction field effect transistor with a moving average value of the gate voltage when the second junction field effect transistor is on;
請求項1又は2に記載の判定装置。The determination device according to claim 1 or 2.
前記半導体スイッチと、を備える、The semiconductor switch,
スイッチシステム。Switch system.
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| JP2020061518 | 2020-03-30 | ||
| JP2020061518 | 2020-03-30 | ||
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|---|---|---|---|---|
| JP2004064930A (en) | 2002-07-30 | 2004-02-26 | Mitsubishi Electric Corp | Power semiconductor device drive circuit |
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Patent Citations (8)
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|---|---|---|---|---|
| JP2004064930A (en) | 2002-07-30 | 2004-02-26 | Mitsubishi Electric Corp | Power semiconductor device drive circuit |
| JP2007202238A (en) | 2006-01-24 | 2007-08-09 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Insulated gate type power semiconductor device failure detection device |
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